额叶脑氧合的不对称性:个体间差异和对全身生理状况、季节、和一天中时间的依赖

2022-01-21 13:43:00 发布者: 查看:
本研究的主要目标是调查大量健康人的 FCOA,以阐明 FCOA 是否是一种真实且稳健的现象。

1.研究背景

初步研究表明,健康成人在静息态下左右前额叶皮层 (PFC) 的大脑氧合存在差异。这种称为额叶大脑氧合不对称 (FCOA) 的现象的特征是右侧PFC组织氧合与左侧相比更高。本研究的主要目标是调查大量健康人的 FCOA,以阐明 FCOA 是否是一种真实且稳健的现象。为了更好地理解这种现象,使用 SPA-fNIRS 来评估 FCOA 是否取决于全身生理活动、绝对组织氧合或血红蛋白浓度。另外还会探索时间生物学和心理变量对 FCOA 以及静息状态下 PFC 的脑血流动力学和氧合的影响。

2.研究方法

2.1 被试

共126名有效被试被招募,男性41名,女性85名,平均年龄24.7岁。

2.2 实验过程

每个受试者进行了四次测量,分别在四天的同一时间,以防止时间生物学伪影。他们被要求在整个测量过程中保持睁眼,并在测量过程中尽可能少地移动头部或身体以避免运动伪影。此外,受试者被要求在每次测量前后填写两份问卷以评估他们的情绪:积极和消极情绪量表 (PANAS)和自我评估模型测试 (SAM;五分制)。

2.3 数据采集和处理

Imagent (ISS Inc., Champaign, Illinois, USA) 用于确定PFC的 O2Hb、HHb、tHb和 StO2 的绝对值,采样率为 2.5 Hz。Imagent 的光源由 16 个 760 nm 激光二极管和 16 个 830 nm 激光二极管组成。四个高灵敏度光电倍增管用作检测器。根据国际 10 到 20 系统,传感器被双侧放置在受试者的左右前额叶皮层(L-PFC 和 R-PFC)位置 Fp1 和 Fp2。 两个 ISS 传感器中的每一个都有四个光发射器和一个连接到光纤的光检测器,将光传送到光电倍增管。源到探测器间距为2.0、2.5、3.5 和 4.0 cm,源和探测器共线排列。

在分析之前,通过目视检查去除极低 (StO2 < 40%) 或不正确的高值 (StO2 > 100%) 的数据。 StO2 和tHb信号中的运动伪影通过基于移动标准偏差和分段插值的移动伪影减少算法 (MARA) 去除。对于 86% 的信号时间序列,无需使用 MARA 进行处理。为了去除高频噪声,使用跨度为 2 分钟的稳健的二次多项式移动平均 (RLOESS) 对信号进行低通滤波。对于每次测量,计算每个大脑参数的基线阶段的 5 分钟中位数。对来自左PFC 和 右PFC 的 StO2 和 tHb的绝对值进行平均以获得整个 PFC 的单一值。此外,侧向指数(右PFC 和 左PFC 的绝对值之间的差异)已确定并用“Δ”表示。最后,计算每个个体受试者的 StO2 和 [tHb] 的中值和四分位距 (IQR)。

3.实验结果

3.1 左右PFC脑氧和差异

对于 StO2,我们发现右脑主导活性(ΔStO2 > 0):在静息状态下检测到高度显着FCOA (图1a)。tHb没有显示出显著不对称性(图1b)。

脑组织氧合和血流动力学 

图1. 脑组织氧合和血流动力学

3.2 脑氧合与全身生理状态的相关性

下列变量呈正相关:ΔStO2与呼吸频率(RR),StO2 与PETCO2,StO2 与tHb,PETCO2与心率,tHb与心率, HR与RR,tHb与 log(PRQ)(PRQ=脉搏-呼吸商数),PETCO2与log(PRQ)。

3.3 脑氧合与性别、季节变换、和一天中的时间的关系

在 StO2 和tHb中观察到由于性别而产生的显着差异。女性和男性组的 FCOA 表现出相同的季节性变化趋势,秋季和冬季高于春季和夏季。男性的绝对[tHb]值在春夏季高于秋冬季。相反,与春季和夏季相比,在秋季和冬季观察到女性的 [tHb] 值更高 (图3a-d)。

男性和女性都在早上观察到更高的 StO2 值。男性在清晨和傍晚表现出非常高的tHb值,但女性的趋势几乎相反。 tHb值的最高 FCOA 分别出现在男性和女性的 10:00 和 14:00。无论性别如何,在早上和下午的 StO2 值之间都发现了非常显着的差异。早晚的 StO2 值也存在显着差异。没有发现tHb的显着变化(图3e-h)

近红外脑部激活状态 

图3. 脑氧合与性别、季节变换、和一天中的时间的关系。

4.结论

本研究结果证明了FCOA存在,且与室温、RR 和 PRQ 相关,但不受受试者情绪或睡眠类型的影响。这种较高的右侧 PFC 活性可能是由于静息状态下更显着的抑制活性。StO2 和 [tHb] 的绝对值受全身生理活动的影响,如 PETCO2、HR、RR 和 PRQ,以及性别。FCOA 和 StO2 分别取决于季节和时间。与春季/夏季相比,秋季/冬季的 FCOA 较高,而早上的 StO2 高于下午/晚上。这些相关发现只能使用 FD-fNIRS 仪器实现,该仪器能够在使用 SPA-fNIRS 方法的同时测量绝对值。

5.文献名称及DOI号

Zohdi, H., Scholkmann, F. and Wolf, U., 2020. Frontal cerebral oxygenation asymmetry: intersubject variability and dependence on systemic physiology, season, and time of day. Neurophotonics, 7(2), p.025006 1-19.

DOI:10.1117/1.NPh.7.2.025006